第三章 真空技术基础与等离子体VIP

.,第3章真空技术基础与等离子体,.,第3章(1)真空技术基础Elementsofvacuumtechnology,.,真空的定义真空：密闭容器内低于一个大气压的空间（1.01105Pa）绝对真空永远无法达到气体状态方程：P=nkT体积分子数：n=7.21022P/T20C时，若P=1.3310-4Pa则n=3.21010个/cm3,.,真空的表示：真空度气体的压强(Pa),蒸发镀：Ti：非平衡等离子体（Nonthermalplasma)。电子温度104K以上，重粒子温度可低至300500K，也称为低温等离子体（Coldplasma)辉光放电时Te10eV105K，但Ti只有数百K，带电粒子密度只有1091013cm-3，宏观温度可以很低。,.,等离子体温度和气压的关系,.,等离子体类型与P/E的依赖关系,p气压E电场强度,.,各种等离子体的电子密度、电子温度和气体温度,.,非平衡等离子体与平衡等离子体的比较,.,等离子体的空间条件,德拜长度：,等离子体的空间条件为：LlDrlD的尺度看等离子体才是电中性的,.,等离子体的时间条件,振荡频率：,等离子体的时间条件为：ttp，或twp1ttp时的等离子体才是电中性的,等离子体电中性受到破坏时具有恢复宏观电中性的趋势，其过程产生空间电荷振荡，即等离子体振荡。,振荡周期：,.,等离子体判据,德拜球内粒子数：,等离子体判据：LlDtwp1ND1,.,日常见到的等离子体有哪些,什么是等离子体,等离子体表面工程,如何获得等离子体,表面工程中如何利用等离子体,等离子体的性质和特点,气体分子电离，带电粒子密度达到一定数值的电离气体,闪电和极光，太阳，日光灯，电弧,.,等离子体的应用,第3章(3),.,.,离子渗,.,.,等离子渗氮的化学反应,载能电子产生电离和中性氮原子e-N2=N+N+2e-氮离子溅射N+工件表面被溅射的铁和污染物被溅射的铁原子与氮原子形成氮化铁Fe+N=FeNFeN在工件表面的沉积和分解FeNFe2N+NFe2NFe3N+NFe3NFe4N+NFe4NFe+N,.,.,.,.,.,.,.,.,.,离子注入,非平衡过程，高固溶度低热过程无变形，不改变精度无界面能量和剂量可控性好高真空，无污染对材料无限制,直射性处理深度浅注入元素离子化需专门设备设备价格贵，加工成本高,.,离子束注入系统的两种主要类型,.,离子引出系统示意图,.,.,带质量分析的离子注入机,.,离子束与离子源离子注入的比较,.,.,.,.,离子在固体中形成的位移峰,.,.,.,.,.,注入剂量低时，浓度分布满足高斯分布注入剂量高时，峰值向表面移动能量损失,.,.,.,.,.,.,.,蒸发镀膜（蒸镀）,.,.,.,.,.,.,.,溅射沉积,.,金属原子Ar离子电子,Ar离子轰击负电位的金属表面,.,影响溅射率S的主要因素入射离子种类：大质量、稀有气体S高入射离子能量：阈值、注入入射离子角度：4050o靶材种类：周期变化，d层充满，溅射率大工作气压：气压低，S不变，气压高，S随之减小表面温度：一定温度内不变，温度过高，急剧增大,.,.,.,氩离子对不同元素的溅射产额,.,.,.,.,.,.,磁控溅射,.,磁控溅射靶,.,.,.,平衡和非平衡磁控溅射的比较,非平衡技术提高轰击工件的离子电流,.,.,.,柱状晶,致密等轴晶,.,离子镀,.,.,离子镀：镀膜的同时用载能离子轰击基体和镀层表面的技术在蒸发或溅射沉积基础上而不是独立的沉积方式,.,.,.,.,.,阴极电弧等离子体沉积,靶材料在真空电弧作用下蒸发。电弧点仅数微米，时间仅几纳秒，温度极高，材料几乎百分之百离化。离子垂直向外发射，微颗粒以一定角度射出。一些离子被阴极吸引，打回到阴极，使电弧持续进行。电弧电压为1550V，电流可达到数百。,.,.,金属表面产生电弧时，金属在电弧的高温中气化，喷出金属蒸汽。此蒸汽中金属分子在等离子体中离化成金属离子。同时还产生一定量不同大小的液滴。,.,.,.,液滴形态及不同的粒子角分布,离子垂直向外发射，微颗粒以一定角度射出,.,用屏蔽法减少颗粒,百叶窗式遮板,工件前简单挡板,.,在输出通道中进行重力和磁过滤,S型和弯曲型过滤器,.,.,弧镀的局限性,金属颗粒的减少和离化率、容积矛盾。需要用合金靶，不同元素有不同溅射率，不同部位溅射材料量不同。溅射清洗和薄膜沉积过程难以控制。,.,.,.,.,离子束增强沉积（IBED）,.,.,.,.,.,离子轰击过程对IBED膜基结合强度的影响,离子轰击能量对界面宽度的影响,.,.,优点：(1)沉积与离子轰击相对独立，便于控制镀层成分及组织；(2)沉积温度低，可避免温度对材料及尺寸的影响。(3)膜基间为连续界面，对所有基材均有较好的结合强度。(4)可与高真空相容，污染少，有利于提高镀层质量；不足：(1)离子束直射性；(2)离子源尺寸限制，生产效率很低；(3)镀膜